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热处置工艺对TA15钛合金力学机能和耐磨性的影响

颁布功夫：：： 2025-07-14 21:59:49    浏览次数：：：

TA15钛合金名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，，重要强化机制是Al元素的固溶强化，，属于高Al当量的近α型钛合金。该合金既拥有α型钛合金高温机能优良、组织不变、可焊性好等利益，，又具备α+B/型钛合金优良的力学机能、工艺塑性和耐热性。因而，，被宽泛使用于汽车工业、石油化工、生物医疗和航空航天等领域。

热处置工艺可能提高资料综合机能、改善切削加工机能和解除残存应力等，，因而被宽泛用于出产热作模具钢、镍基合金、铝合金和钛合金等领域。目前，，针对TA15合金的热处置工艺、微观组织和综合机能之间关系的钻研是有关领域的热点问题之一，，如吕逸帆等发此刻940℃退火处置后，，TA15合金的微观组织为初生α相+片状次生α相+β相，，兼具1026MPa的抗拉强度和48J.cm??的冲击韧性；；；卢凯凯等钻研批注当热处置工艺为975℃×1h/WC(Watercooling)+850℃×2h/AC(Aircooling)时，，TA15合金拥有优良的强韧性匹配，，其微观组织由初生等轴α相、片状α相和β转变组织组成；；；张旺锋等钻研发现TA15合金在1020℃的β热处置后得到的片状组织力学机能均低于两相区热处置得到的三态组织，，但片状组织的断裂韧性、委顿裂纹扩大速度优于三态组织。随着钛合金服役环境的愈加复杂恶劣，，其相对较差的摩擦磨损机能也在肯定水平上限度了合金的宽泛利用，，而针对TA15合金热处置工艺对耐磨机能影响方面的钻研工作却鲜有报道。因而，，本文钻研了退火热处置、双重热处置和β热处置3种分歧热处置工艺对TA15合金微观组织、力学机能和耐磨性的影响法规，，探求了工艺、组织和机能之间的关联机制，，旨在为TA15合金热处置工艺的选择提供理论基础和试验凭据。

1、试验资料及步骤

1.1试验原料

试验资料为铸造态TA15合金，，选取XRF-1800型X射线荧光光谱仪测试其现实化学成分，，了局如表1所示。利用JEOLJSM-7800F场发射扫描电镜(FESEM)和ImageJ软件对合金初始微观组织进行统计分析，，如图1(a)所示，，其微观组织由69.4%的初生α相和30.6%的β转变基体组成。使用JmatPro软件推算并绘制出合金的热力学平衡相图，，如图1(b)所示，，其相变点约为990℃，，与有关文件报道相吻合。

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1.2试验规划

使用KF-1200箱式热处置炉对TA15合金进行退火热处置、双重热处置和β热处置，，其热处置工艺制度如图2所示。再对原始态和热处置态的TA15合金进行微观组织观察：：：首先对样品理论进行机械研磨，，而后利用IT6300直流电源进行电解抛光，，抛光液为34%正丁醇+6%高氯酸+60%甲醇，，抛光温度为-20℃，，抛光电压为15V抛光功夫为60s。最后进行侵蚀，，侵蚀剂为Kroll试剂，，成分为10%氢氟酸+20%硝酸+70%纯净水，，侵蚀功夫为10s。

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凭据GB/T228.1-2021《金属资料拉伸试验第1部门：：：室温试验步骤》要求，，别离在4种状态的TA15合金资猜中取长宽为45mm×10mm、标距为18mm、厚度为2mm的常温拉伸试样，，并利用DDL100型电子全能试验机进行常温拉伸试验，，拉伸速度为1mm/min，，每组平行测试3个试样，，取均匀值以减小误差。凭据GB/T229-2020《金属资料夏比摆锤冲击试验步骤》要求，，别离在4种状态的TA15合金资猜中取10mm×10mm×55mm且拥有V型缺口的冲击试样，，并利用NI150金属摆锤冲击试验机丈量冲击吸收功，，每组平行测试3个试样，，取均匀值以减小误差。凭据GB/T23604-2009《钛及钛合金产品力学机能试验取样步骤》要求，，别离在4种状态的TA15合金资猜中取10mm×10mm×10mm的硬度试样，，并利用YQ81C型维氏硬度计丈量微观硬度，，每组测试7个点，，加载载荷为0.1kg，，加载功夫为10s，，去除最大值和最小值，，再取均匀值作为最终硬度。

利用THT07-135型摩擦磨损试验机进行磨损试验，，为便于利用光学概括仪成像得到数据，，对样品理论进行喷金以加强样品的反光性，，在室温(25℃)和高温(500℃)下对钛合金进行摩擦磨损机能测试，，试样尺寸为Φ(24.5~24.8)mm×(8.1~8.15)mm，，每个参数平行测试两组，，取均匀值以减小误差。其他试验前提：：：摩擦功夫为30min，，摩擦速度为1000r/min，，摩擦行程为圆周活动直径12.25mm。摩擦空气为大气空气，，摩擦副类型为点接触，，点接触尺寸为直径6mm，，对磨球资料为Al?O?。摩擦因数为整个滑动过程的均匀值，，由摩擦试验机自动纪录。比磨损率K按公式(1)推算；；；

K=ΔV/(F×S)(1)

式中：：：ΔV为磨损体积；；；F为外加载荷，，取10N；；；S为总滑行距离，，取1155m。

使用JSM-7800F型场发射扫描电镜(SEM)拍摄TA15侵蚀后的微观组织，，所用加快电压为20kV；；；利用D/MAX2500型X射线衍射仪对经砂纸打磨、机械抛光后的试样进行物相分析。X射线管选用特点波长为0.1542nmCu靶，，扫描步长4°/min，，衍射角领域30°~90°。

2、了局与会商

2.1微观组织分析

图3为TA15钛合金热处置后的微观组织。如图3(a)所示，，退火热处置态组织由32.3%的初生α、编织交错的片状α和少量的β转变基体组成；；；如图3(b)所示，，双重热处置态组织的组分没有变动，，但相较于退火态组织，，其初生α含量由32.3%降落至15.6%同时片状α组织大幅增多。一方面双重热处置的第一重近β固溶处置温度较高，，更靠近TA15钛合金相变点990℃，，进一步推进了初生α相向片状α相转变，，同时选取水淬的冷却工艺，，冷速较快，，导致片状α层片厚度变小，，因而其综合机能更好；；；另一方面第二重两相区退火热处置使部门初生α相球化溶化，，从而导致其含量降低。如图3(c)所示，，β热处置在相变点温度以上的β相区进行，，由于TA15钛合金中Mo等β相不变元素含量较低，，空冷后β相产生相变转变为粗壮集束状α相，，但仍保留了原始的β大晶界，，形成了典型的魏氏组织。相较于退火热处置，，随着热处置温度的升高，，初生α相齐全隐没，，晶粒尺寸显著增大。从图4分歧状态TA15钛合金的XRD图谱可看出，，退火热处置和双重热处置后，，三强峰的强度均有所增长；；；β热处置后，，初始组织中的α相(0002)晶面和(2119)晶面以及β相(110)晶面和(211)晶面隐没，，但仍有少量的β相残存。

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2.2力学机能分析

图5对比了分歧状态下TA15钛合金的力学机能。由图5可见，，双重热处置态的抗拉强度为1090.04MPa、屈服强度为966.46MPa、硬度为443.7HV0.1，，屈强比为0.887，，均为4种状态下合金的最佳力学机能。这重要是由于双重热处置态下合金可获得三态组织，，其中，，初生α相仅占15.6%，，而片状α相占比很高。初生α相晶界是裂纹萌生和扩大的通道，，其含量越少越不容易产生断裂。相比之下，，裂纹在片状α相的扩大和其方向有关。若方向一致，，裂纹可直接从片状α相中央缝隙通过；；；若方向不一致，，裂纹则需穿过或绕过片状α相，，产生显著的滞碍效应或被迫扭转方向。此外，，片状α相多数杂乱无章地编织交错在一路，，可能较好地克制裂纹的萌生与扩大。同时，，弥散析出的片状α相对可动位错拥有钉扎作用，，有效提高了合金的强度与硬度。双重热处置态合金的伸长率为19.39%，，塑性优良。密排六方的初生α相可能协调变形，，因而铸造态和退火热处置态合金的塑性更为优异。片状α相一方面降低初生α相间的均匀自由程，，减小滑移带间距，，降低位错塞积的概率；；；另一方面，，双重热处置态的片状α相片层宽度更小，，可能小幅提高合金的塑性，，同时维持足够强度Ｋ伎汲跎料嗪推处料嗟淖酆献饔，，退火热处置态合金的塑性最佳，，伸长率为26.91%。而β热处置态合金的伸长率仅为5.36%，，可归因于粗壮的魏氏体组织使塑性显著降低。

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此外，，双重热处置态合金的冲击韧性也达到了40.90J.cm??。这重要是由于片状α相能有效偏转裂纹和耽搁断裂蹊径，，从而提高冲击韧性，，优于铸造态合金。相比而言，，在退火热处置态合金中，，初生α相含量相对较高，，易于裂纹成长。并且体心立方的β基体含量较高，，晶界和相界等裂纹易萌天生长的处所较少，，因而冲击韧性也达到了52.41J.cm??。β热处置态合金的晶粒大晶界少，，即裂纹萌生和扩大的通道相对较少，，同时集束状α相也能有效招架裂纹的延长，，导致韧性优异高达53.00J.cm??。

图6为分歧状态下TA15钛合金的拉伸和冲击断口描摹。退火热处置态、双重热处置态和β热处置态的拉伸断口微观描摹均由典型的韧窝和白色扯破棱组成，，注明其断裂方式为韧性断裂。此外，，退火热处置态宏观断口心部为灰暗的纤维区，，边缘区域则是白亮的剪切唇和放射区，，产生了显著的塑性变形，，是典型的“杯锥形”描摹。相较于铸造态和双重热处置态，，退火热处置态的韧窝更大更深，，白色扯破棱也更为显著，，理论升沉更大，，因而其塑性最好。而β热处置态拉伸断口以解理台阶状斑纹为主，，出现出典型的脆性断裂特点，，其宏观断口较为平直，，无纤维区特点，，无显著颈缩景象，，断面收缩率较小，，这也切合前文所述的低伸长率了局。

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冲击断口微观描摹显示，，退火热处置态合金在冲击断裂时存在显著韧窝和扯破棱，，且相较于铸造态和双重热处置态，，韧窝尺寸更大更圆润，，深度更深，，注明其韧性更好。双重热处置态合金断口出现凹凸升沉的描摹，，这是由于大量片状α相故障了裂纹的扩大与舒展，，耽搁和弯折了扩大蹊径。铸造态合金断口有较多藐小的孔洞，，批注穿晶韧性断裂是其重要断裂机制。β热处置态合金断口出现出河道状花腔和解理台阶的特点，，可观察到大量白色藐小崎岖的裂纹扩大纹路。注明其裂纹扩大蹊径长，，冲击韧性优异。此时的微观组织为粗壮的片状集束α组织，，可能有效地克制冲击时裂纹的扩大。综上所述，，拉伸和冲击断口宏微观描摹特点与强塑韧性变动法规根基维持一致。

2.3摩擦磨损机能分析

图7为室和善高温前提下分歧状态TA15钛合金的摩擦系数随摩擦功夫的变动法规。在25℃前提下，，铸造态、退火热处置态、双重热处置态和β热处置态合金的均匀摩擦系数别离为0.4704、0.3543、0.3479和0.3603。其中，，铸造态TA15合金的摩擦系数曲线颠簸较大，，这是由于磨损后有部门磨屑脱落到磨痕中，，对磨损有肯定的光滑作用，，而TA15合金基底又相对耐磨，，因而曲线颠簸较大。对于其他3种热处置状态的合金，，双重热处置态拥有最小的摩擦系数，，耐磨性最好。这是由于一方面编织交错的片状α相对可动位错拥有钉扎作用，，且较小的片间距也有效提高了塑性变形的抗力，，导致磨削球更难压入和动弹；；；另一方面，，其硬度高达443.7HV0.1，，微观上原子间的结合力越强，，原子被外力剥离的可能性越低，，因而招架磨损的能力越强，，综上所述，，双重热处置态合金的耐磨性最佳，，摩擦系数整体水平变动法规为：：：铸造态>β热处置态>退火热处置态>双重热处置态。在500℃前提下，，铸造态、退火热处置态、双重热处置态和β热处置态合金的均匀摩擦系数别离为0.5270、0.4468、0.4046和0.4630。与25℃的摩擦系数变动法规相比，，500℃的法规与之类似，，但摩擦系数的整体水平相较较高，，这是由于在高温前提下TA15合金产生了动态回复，，拥有显著的软化作用，，抵抗磨损的能力减弱，，摩擦系数增大。

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图8为室和善高温前提下分歧状态TA15钛合金磨损面的光学描摹。在25℃前提下，，铸造态、退火热处置态、双重热处置态和β热处置态合金的最大磨痕深度别离为74.2、51.0、34.6和55.9μm，，磨损体积别离为9.94×10?、2.57×10?、1.78×10?和6.77x10?μm?。如前所述，，双重热处置态的三态组织重要由片间距小的片状α相组成，，拥有较大的变形抗力，，导致Al?O?，，磨削球更难压入，，因而最大磨痕深度最小。在500℃前提下，，铸造态、退火热处置态、双重热处置态和β热处置态合金的最大磨痕深度别离为116、101、96.9和104μm，，磨损体积别离为1.63×10?、7.32×10?、6.44×10?和9.07×10?μm?。与25℃前提下的法规类似，，双重热处置态合金的最大磨痕深度最小。值妥贴心的是，，500℃下其磨痕深度与退火热处置态和β热处置态较为靠近，，这重要可归因于高温前提下动态回复产生的软化作用减弱了片状α相抵抗形变的能力，，因而磨痕深度较为靠近。

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由比磨损率推算公式得到室和善高温前提下分歧状态TA15钛合金的比磨损率，，如图9所示。在25℃前提下，，铸造态TA15合金的比磨损率为8.61×10??mm?.N??.m??远高于退火热处置态、双重热处置态和β热处置态的2.22×10??、1.54×10??和5.86×10??mm?.N??.m??。由此可见，，热处置后天生的片状α相和集束状α相，，有效降低了TA15合金的磨损率，，从而大幅提高其耐磨性。而双重热处置态合金由于含有大量的片状α相，，导致其磨损率低于其他热处置态。在500℃前提下，，铸造态TA15合金的比磨损率为1.41×10??mm?.N??.m??，，远高于退火热处置态、双重热处置态和β热处置态的6.34×10??、5.58×10??和7.85×10??mm?.N??.m??。与25℃类似，，500℃时双重热处置态磨损率依然最低，，但相较25℃，，比磨损率有所提升，，这是由于高温前提下产活泼态回复，，有较强的软化作用，，TA15更易磨损失效。

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图10为室和善高温前提下分歧状态TA15钛合金的磨损描摹。在25℃前提下，，铸造态合金的磨损机理重要为磨粒磨损和粘着磨损。磨粒磨损的机制重要以挤压剥落机制为主，，辅以少量的微切削机制，，从图10(a)能够观察到显著的分层和扯破缝迹，，并伴有少量磨屑，，是典型的犁耕和切割特点。图10(a)中C点磨粒的能谱分析了局显示，，相较于A点和B点，，其A1和0元素含量别离高达35.5%和37.9%，，而Ti含量较少，，且Au含量为零。注明该金属颗粒来自外界，，这是由于Al?O?，，对磨球与基体产生金属黏着，，在磨损过程中Al?O?，，颗粒被粉碎，，并转移到基体上，，是典型的粘着磨损。退火热处置与双重热处置态TA15钛合金的磨损大局重要以磨粒磨损为主，，描摹中出现了显著的机械犁削和切割扯破缝迹，，重要机制为微切削和挤压剥落。图10(b)中D点和图10(c)中I点等磨粒中Al、0元素含量均属于正常水平，，远低于图10(a)中的C点。β热处置态TA15钛合金的磨损大局为粘着磨损，，存在大片黏着扯破和分层的痕迹，，同时还能观察到少量的剥落坑。此外，，图10(d)中K点磨屑成分拥有Al、O元素含量高而Au元素含量为0的特点，，这是产生粘着磨损的重要证据。

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与之相比，，500℃前提下分歧状态TA15钛合金的磨痕更宽，，犁沟更深、更密，，可归因于高温下动态回复产生的软化作用，，导致犁沟深而密。此外，，高温氧化使得各特点点的氧含量都较高。从图10(e)能够显著观察到灰白色的高温氧化痕迹，，如图中M点的能谱所示，，其氧含量高达49.4%；；；N点颗粒不含Au元素，，但含有较高的Al元素，，证明其为Al?O?球转移的磨屑。因而，，铸造态TA15钛合金的磨损机制为氧化磨损和粘着磨损。图10(f)中同样存在分层和扯破缝迹，，但与室温前提分歧的是，，层状边缘为灰白色。此外，，图10(f)中Q点颗粒的元素特点与图10(e)中N点类似，，因而退火态TA15钛合金磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损。图10(g)中存在显著的犁沟和剥落层，，阐发出磨粒磨损中微切削和挤压剥落的典型特点，，同时T点的氧含量远超图10(c)中G点，，因而双重热处置态的TA15磨损机制重要为磨粒磨损和氧化磨损。与图10(g)分歧的是，，图10(h)中还存在粘着磨损特点点X，，因而β热处置态TA15的磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损。

3、结论

1)铸造态TA15微观组织由69.4%初生α相和30.6%β转变基体组成；；；退火热处置态组织为32.3%初生α、编织交错的片状α和少量的β转变基体组成的三态组织；；；双重热处置态组织为15.6%初生α、编织交错的片状α和少量的β转变基体组成的三态组织；；；β热处置态组织由集束状α和残留的β大晶界组成；；；

2)双重热处置态强韧匹配最佳，，抗拉强度为1090.04MPa，，硬度为443.7HV0.1，，冲击韧性为40.90J.cm??伸长率为19.39%，，其组织中较高含量编织交错片间距小的片状α相，，既能起到钉扎作用，，提高强度与硬度，，又能故障裂纹的扩大与舒展，，同时也能降低位错塞积的概率；；；

3)双重热处置态耐磨性最佳，，当摩擦磨损温度为25和500℃时，，摩擦系数别离为0.3479和0.4046，，最大磨痕深度为34.6和96.9um，，比磨损率别离为1.54×10??和5.58×10??mm?.N??.m??其磨损机理室温为磨粒磨损，，高温为磨粒磨损和氧化磨损。

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